Введение

Применение робот-ассистированных комплексов становится стандартом в современной хирургии. Они уже применяются для лечения широкого спектра заболеваний. В частности для выполнения автоматизированных операций методами локальной деструкции на органах со сложной анатомической архитектоникой, таких как печень, современным робот-ассистированным комплексам необходимо совместное использование таких технологий, как сегментация объемных данных, полученных с помощью различных систем медицинской визуализации, стереотаксия, методы численной оптимизации, предварительная симуляция в виртуальной среде, сопоставление изображений различных модальностей и отслеживания перемещений паттернов на видеоряде. Это позволит снизить влияние человеческого фактора, особенно при множественных пункциях на крупных новообразованиях.

В мире существует ряд робот-ассистированных комплексов, предназначенных для применения локальной деструкции. Например, роботизированная медицинская система от индийской компании «Perfint Healthcare» используется для минимально инвазивных вмешательств в области грудной клетки, полости живота и таза. Исследования [1—3], показали превосходство роботизированного ввода иглы по сравнению с ручным. Система Perfint MAXIO позволяет планировать траекторию и позицию инструмента, при этом число вводимых инструментов может доходить до 6, воздействовать на труднодоступные и крупные новообразования, а также выполнять аблацию нескольких новообразований за одну процедуру. Система имеет возможность графического отображения и автоматического расчета объема аблации для каждого инструмента.

Роботизированная система XACT, разработанная в Израильском технологическом институте Technion, представляет собой роботизированную систему, которая сочетает в себе планирование и навигацию на основе изображений, получаемых при компьютерной томографии (КТ), с введением различных инструментов к желаемой цели во время чрескожных процедур. Хирурги планируют процедуру на основе данных КТ, а затем система XACT исполняет этот план с помощью иглы для биопсии или электрода для аблации. Хирург наблюдает за процедурой и находиться в соседней комнате для снижения получаемой дозы радиации. XACT избавляет от необходимости полагаться на технические навыки хирурга при использовании инструментов у дышащего пациента — как было указано выше, дыхание влияет на предполагаемое местоположение потенциальной опухоли. Робот XACT устанавливается и закрепляется на абдоминальную область пациента и получает данные в реальном времени от интраоперационного компьютерного томографа и программного обеспечения для планирования. Если игла выходит за пределы заданного пути, система обнаруживает погрешность, и траектория может быть скорректирована без необходимости перемещать пациента или повторно вводить медицинский инструмент, что помогает ускорить процедуры [4, 5].

Epione — медицинская роботизированная система, разработанная французской компанией «Quantum Surgical» для использования в области абдоминальной хирургии. Одной из основных особенностей системы Epione является ее способность выполнения планирования операций на основе объемных данных пациента, полученных при КТ/магнитно-резонансной томографии (МРТ). С использованием этих изображений Epione создает трехмерную модель анатомических структур и опухолей, что позволяет хирургам планировать маршрут введения инструментов и оптимизировать операционный подход. Epione использует осевой манипулятор и оптическую систему хирургической навигации для обеспечения позиционирования и ориентации медицинских инструментов внутри целевой области [6, 7].

Материалы и методы

Прототип робот-ассистированного комплекса. Разработанный прототип робот-ассистированного комплекса направлен на реализацию задачи автоматизированного выполнения локальной деструкции новообразований внутренних органов абдоминальной полости. На рис. 1 показана общая структура элементов, необходимых для функционирования робот-ассистированного комплекса минимально инвазивной абдоминальной хирургии для автоматизированного выполнения операций методами локальной деструкции. Робот-ассистированная операция выполняется в виде последовательности действий, которая может быть разделена на 3 этапа: 1) предоперационное планирование; 2) интраоперационная подготовка; 3) исполнение операции. К этапу планирования относятся такие шаги, как определение оптимального положения медицинских инструментов в рабочей области, определение оптимального положения рабочей области относительно робота. К этапу подготовки относятся определение актуального положения рабочей области относительно робота и верификация плана операции. Этап исполнения включает движение робота по запланированным траекториям, введение медицинского инструмента и проведение локальной деструкции целевой области.

Рис. 1. Общая структура элементов, необходимых для функционирования прототипа комплекса.

В состав прототипа робот-ассистированного комплекса входит следующее оборудование: универсальный многофункциональный манипулятор; прототип рабочего органа; система управления универсального многофункционального манипулятора; аппарат для ультразвукового исследования (УЗИ) Philips Affinity 50; стереотаксическая система хирургической навигации Мультитрек; сервер управления и обработки данных на базе Core i7-9700K; аппарат локальной деструкции — система электрохирургическая RITA 1500Х; графическое устройство ввода-вывода с интерфейсом пользователя — тачскрин.

Задача прототипа комплекса — робот-ассистированное выполнение локальной деструкции в минимально инвазивной абдоминальной хирургии с автоматизацией этапов предварительного планирования, интраоперационной подготовки, а также исполнения операции. В качестве результата — повышение качества проведения робот-ассистированных операций, выполняемых методами локальной деструкции новообразований печени, снижение травматичности для пациента и нагрузок для хирурга. Поставленная задача решается при помощи синергетического применения технологий предварительной симуляции робот-ассистированного комплекса, автоматизированного определения оптимального положения пациента и траекторий движения медицинских инструментов, многомодальной интраоперационной визуализации, роботизации движения медицинских инструментов, стереотаксической навигации и алгоритмов технического зрения.

Прототип рабочего органа. Прототип рабочего органа для роботизированного введения электрода для радиочастотной аблации под ультразвуковым контролем представлен на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид прототипа рабочего органа.

а — прототип рабочего органа, закрепленный на фланце манипулятора; б — 3D-модель.

Компоненты прототипа рабочего органа для радиочастотной аблации под ультразвуковым контролем: 1 — первое звено рабочего органа, жестко закрепленное на фланце робота-манипулятора; 2 — ультразвуковой датчик и его держатель 3, позволяющий регулировать положение зонда и закреплять маркеры для системы оптической навигации в непосредственной близости от ультразвукового зонда; 4 — двигатель, соединенный со вторым звеном рабочего органа 5, обеспечивающий первую степень подвижности устройства; 6 — двигатель второй степени подвижности, приводящий в движение вал шарико-винтовой передачи (ШВП) — 7; 8 — электрод для радиочастотной аблации, установленный в держателе 9, позволяющем регулировать начальное положение электрода относительно ультразвукового зонда, и закрепленный на линейной направляющей 10; 11 — кронштейн, жестко соединяющий вал ШВП и каретку линейной направляющей.

Устройство содержит две степени подвижности, позволяющие регулировать траекторию введения инструмента локальной деструкции после локализации поражений с помощью неподвижно закрепленного на рабочем органе ультразвукового датчика.

Наведение на интересующие пораженные ткани человека ультразвуковым зондом осуществляется с помощью подвижностей манипулятора. После обнаружения поражений и наведения электрода на траекторию введения все степени подвижности робота фиксируются, обеспечивая стабильность для выполнения процедуры введения. Таким образом, корректировка траектории введения инструмента локальной деструкции производится с помощью степеней подвижности рабочего органа, при этом оставляя ультразвуковой датчик неподвижным.

Способ имитации опухолей печени на кадаверном материале. С целью отработки оптимальных способов формирования объемных образований в паренхиматозных органах было проведено несколько серий экспериментальных работ. Во всех сериях использовалась аутопсийная говяжья печень.

Первоначально отрабатывался инъекционный способ введения жидкости для создания модели патологического очага. Оптимальное вещество должно одномоментно обладать необходимой эхогенностью и визуализацией под рентгеновскими лучами. Подбор веществ осуществляли среди препаратов, зарегистрированных для клинического применения, потенциально обладающих невыраженной реактогенностью и способных сформировать патологический очаг, приближенный к вариантным неопластическим процессам в печени. В конечной выборке для проведения первой серии экспериментальной работы применяли склерозирующее средство полидоканол 10 мг в 1 мл в неизмененном виде и в виде вспененного материала, поливинокс и жидкий парафин. Для вспенивания полидоканола использовали двухпоршневую систему, объединенную Г-образным коннектором с меньшим диаметром сечения, что позволяло добиться плотной устойчивой мелкодисперсной пены в различных концентрациях действующего вещества и воздуха. Одноразовым трехкомпонентным шприцем емкостью 2 мл с иглой 0,6×25 мм (23G*1) исследуемые вещества введены в паренхиму кадаверной печени под контролем УЗИ в объемах и концентрациях, указанных на рис. 3, а. В результате максимально отчетливый гиперэхогенный фокус формировало вазелиновое масло (рис. 3, б). Однако на полученной мультиспиральной компьютерной томограмме все вещества и созданные объемы были неразличимы и оказались рентгенонегативными (рис. 3, в).

Рис. 3. Снимок экспериментального объекта, представленного кадаверной печенью, введены вещества указанных объемов и концентраций (а); ультразвуковой снимок сформированного вазелиновым маслом гиперэхогенного овоидного фокуса в паренхиме печени (б); мультиспиральная компьютерная томограмма печени после инъекции исследуемых веществ (в).

Для коррекции указанной особенности в жидкий парафин введена 1/10 часть 35% раствора йогексола, с применением описанной ранее двухпоршневой системы сформирована инвертная эмульсия. Эмпирическое изучение эхогенности масляных контрастных препаратов не проводилось ввиду ограниченной доступности последних. На полученной при мультиспиральной КТ серии снимков удалось добиться адекватной рентгенологической картины, однако мы столкнулись с новым вызовом. Сформированный очаг за счет распространения эмульсии по трубчатым структурам печени принимал не привычную для неопластических процессов округлую форму, а имел вид неопределенной бесформенной массы с множественными выростами (рис. 4).

Рис. 4. Трехмерная визуализация печени при мультиспиральной компьютерной томографии после введения эмульсии жидкого парафина и йогексола.

Попытки введения вещества в ложе, сформированное при помощи баллонного катетера высокого давления, не принесли должного результата, все так же смоделированный очаг оставался бесформенным.

В связи с этим на следующем этапе предпринята попытка воспроизведения объемного образования печени с использованием баллонного катетера, заполненного изученной на предыдущем этапе эмульсией вазелинового масла и водорастворимого йодсодержащего препарата йогексола. Для создания патологического очага размером 1,5 см использовали урологический латексный двухходовый катетер Фолея размером 06FR 28 см. Необходимая жесткость для доставки катетера в паренхиму обеспечивалась дополнительным применением гладкой спицы Киршнера 3,0×350 мм, которая извлекалась из препарата после наполнения баллона (рис. 5). За счет инсуффляции эмульсии в баллон удалось добиться надежной фиксации формируемого очага в паренхиме печени, что исключает непреднамеренные смещения последнего.

Рис. 5. Этап введения эмульсии в баллон катетера Фолея, установленного в паренхиму печени с применением спицы Киршнера (а), подведение игольчатого электрода к сформированному очаговому образованию под ультразвуковым контролем (б) и мультиспиральные компьютерные томограммы печени с объемным очагом, сформированным баллонным способом (в).

Инструментальный ультразвуковой контроль позволил визуализировать округлое гиперэхогенное образование в толще паренхимы печени. К баллону подведен игольчатый электрод для проведения радиочастотной аблации (см. рис. 5, б). На контрольных мультиспиральных компьютерных томограммах визуализировано округлое рентгеноконтрастное образование (см. рис. 5, в). Указанным способом удалось добиться удовлетворительного результата. Сформированный таким способом объем обладает ультразвуковыми и рентгенологическими характеристиками, схожими с таковыми при реальном неопластическом процессе.

Подготовка кадаверного материала для эксперимента. Для проведения испытания на кадаверном материале была необходима предварительная подготовка биологического материала. Отработанный на предыдущих этапах алгоритм имитации опухолей полностью удовлетворял необходимым условиям проведения эксперимента с робот-ассистированным комплексом. Однако для планируемого использования модуля имитации дыхания [8] требовалась коррекция объемных и метрических характеристик используемой печени. Для адекватного позиционирования биоматериала в заранее подготовленном ложементе острым путем была резецирована правая латеральная и медиальная доля говяжьей печени таким образом, чтобы добиться максимально приближенных метрических характеристик с правой и левой долей печени человека. Для придания стабильности фантому и предупреждения непреднамеренного изменения формы и пространственного положения самого комплекса и воспроизводимых опухолей биоматериал фиксирован к ложементу пленкой из полиэтилена низкого давления. Дополнительно выполнено стягивание в двух перпендикулярных плоскостях лентами из полиамида. К переднеправой поверхности наиболее объемной части кадаверного материала, имитирующей правую долю печени, дополнительно выполнена фиксация полимерной эхо- и рентгенопозитивной фигуры, имитирующей отрезки ребер и межреберные промежутки (рис. 6). Пространство между биоматериалом и пленкой пункционным методом было выполнено ультразвуковой гелеобразной контактной средой. В паренхиму печени под ультразвуковым контролем поэтапно с использованием спицы Киршнера было установлено 3 катетера Фолея на различную глубину от передней поверхности, баллоны заполнены эмульсией вазелинового масла и йогексола объемом по 3 мл (см. рис. 6, а). Установка баллонной части катетеров была выполнена на расстоянии 4, 2 и 0,5 см (см. рис. 6, б) от капсулы, имитируя поверхностные и более глубокие неоплазии.

Рис. 6. Общий вид кадаверного материала, фиксированного к ложементу с закрепленными метками. Выполнена имитация неоплазий. Обозначена глубина расположения объемных образований (а). Ультразвуковая картина имитации субкапсулярного новообразования (обозначено стрелкой) (а).

Баллон, установленный на 2 см, был заведен в ткань печени по касательной сверху вниз и спереди назад таким образом, чтобы сформированный объем находился в доступе для ультразвукового контроля и пункции через «межреберный» промежуток. После воспроизведения модельного заболевания в кадаверном материале на фантом были закреплены рентгенопозитивные метки, необходимые для последующего сведения системой навигации.

Предоперационное планирование робот-ассистированной операции локальной деструкции на кадаверном материале. Кадаверный материал, фиксированный к ложементу с закрепленными метками, помещали в КТ-сканнер Definition AS 128 (Siemens), где проводилась КТ с реконструкцией срезов толщиной 0,6 мм (рис. 7, а, на цв. вклейке). Затем мануально в программном обеспечении Инобитек 2.10.1 сегментировали имитированные субкапсулярные новообразования, имитатор ребер, паренхиму печени и зону возможного введения инструмента локальной деструкции (рис. 7, б, на цв. вклейке). Размеченные данные DICOM-исследования кадаверного материала были загружены в разработанное программное обеспечение для дальнейшего предоперационного планирования.

Рис. 7. Получение компьютерных томограмм кадаверного материала (а); мануальная сегментация в программном обеспечении Инобитек 2.10.1. (б).

Сегментированы ребра (белым), печень (коричневым), опухоли (оранжевым).

На данных загруженного исследования проведено автоматизированное планирование зон локальной деструкции (рис. 8, а, на цв. вклейке) и расположения инструментов локальной деструкции. Были найдены положения инструментов локальной деструкции для всех трех имитированных субкапсулярных новообразований (рис. 8, б, на цв. вклейке).

Рис. 8. Результат автоматизированного планирования зон локальной деструкции (а) и расположения инструментов локальной деструкции (б).

Интраоперационная подготовка робот-ассистированной операции локальной деструкции на кадаверном материале. Подготовленный кадаверный материал в оснастке был помещен на операционном столе, соединенным жесткой станиной с основанием манипулятора. На DICOM-данных КТ кадаверного материала были выбраны характеристические точки. В точки на кадаверном материале, соответствующие выбранным на DICOM-данных точкам, был поднесен указательный инструмент системы хирургической навигации, его положение было зарегистрировано (рис. 9, а). Собранные таким образом точки были использованы для определения положения кадаверного материала относительно референсной системы координат системы хирургической навигации. Положение кадаверного материала было определено с погрешностью 1,9 мм, что может быть связано со смещением характеристических точек во время транспортировки и хранения от компьютерного томографа.

Рис. 9. Сбор данных указательным инструментом системы хирургической навигации (а) и загрузка их в симуляционное программное обеспечение (б).

На следующем шаге было проведено определение положения референсной системы координат системы хирургической навигации относительно основания медицинского манипулятора. На первой итерации точность калибровки составила 27 мм, что служило показателем высокой погрешности калибровки целевой точки инструмента в системе хирургической навигации. После обновления калибровки целевой точки инструмента в системе хирургической навигации точность определения положения референсной системы координат системы хирургической навигации относительно основания медицинского манипулятора составила 0,28 мм.

Информация о положении центральной точки инструмента относительно фланца манипулятора была загружена в симуляционное программное обеспечение (рис. 9, б). Были составлены планы движения манипулятора, каждый из которых включал обновление целевых точек, процедуру перемещения манипулятора к рабочей области и процедуру отвода манипулятора. Созданные планы были отправлены в симуляционное программное обеспечение для предварительной симуляции. После верификации предварительной симуляцией разработанных планов движения наступил этап исполнения операции.

Результаты

Исполнение робот-ассистированной операции локальной деструкции на кадаверном материале. Для всех созданных планов движения проводилась схожая последовательность действий. На первом шаге осуществляли отвод медицинского инструмента в прототипе рабочего органа за счет движения второй степени подвижности прототипа рабочего органа. На следующем шаге манипулятор перемещал прототип рабочего органа в предварительное положение в режиме движения в пространстве обобщенных координат. По достижению первого целевого положения манипулятор начинал движение в декартовой системе координат до контакта ультразвукового датчика с рабочей областью кадаверного материала. После контакта датчика с рабочей областью кадаверного материала позиция прототипа рабочего органа была адаптирована под мануальным контролем для более удобного позиционирования и улучшения качества изображения, полученного при УЗИ (рис. 10, а). На ультрасоногамме (рис. 10, б) были локализованы целевые имитаторы субкапсулярных новообразований. Для этих образований была решена обратная задача кинематики для прототипа рабочего органа. Полученные данные использовались на следующем этапе.

Рис. 10. Контакт ультразвукового датчика с рабочей областью кадаверного материала (а), ультрасонограммы с выделенным субкапсулярным новообразованием (б) и процесс ввода инструмента локальной деструкции (в).

Первая степень подвижности прототипа рабочего органа приводилась в движение в соответствии с решением обратной задачи кинематики до достижения желаемого положения. После фиксации положения первой степени подвижности прототипа рабочего органа происходила активация второй степени подвижности для введения медицинского инструмента под контролем УЗИ.

Вторая степень подвижности прототипа рабочего органа обеспечивала линейное перемещение медицинского инструмента в плоскости сканирования ультразвукового датчика. Для обеспечения качества траектории ввода в месте контакта медицинского инструмента с кадаверным материалом был сделан надрез скальпелем. После этого был продолжен ввод инструмента локальной деструкции (рис. 10, в).

После достижения целевого положения и разрушения объекта, имитирующего новообразование (рис. 11), вторая степень подвижности прототипа рабочего органа начинала возвратное движение для отвода медицинского инструмента, после чего робот отводился от рабочей области.

Рис. 11. Ультрасонограммы с выделенным субкапсулярным новообразованием (центр отмечен крестом): первое (а), второе (б), третье (в).

Результаты экспериментальной проверки функциональных возможностей прототипа робот-ассистированного комплекса. Примеры визуализации собранных во время эксперимента данных о положении кончика медицинского инструмента и определенных на DICOM-данных КТ положений целевых областей приведены на рис. 12. Кружком обозначено положение целевых областей на компьютерной томограмме, крестиком — положение, уточненное с помощью УЗИ.

Рис. 12. Визуализация траектории кончика медицинского инструмента.

Расстояния между определенным на компьютерной томограмме положении целевой области и фактически обнаруженным положением составляло от 3,8 до 4,9 мм, без учета смещения относительно сканирующей плоскости ультразвукового датчика. Малые отклонения на траектории являются следствием перекрытия поля зрения системы хирургической навигации во время эксперимента и соответствующей ошибкой записи данных.

Заключение

В рамках работы предложен и апробирован набор программных и аппаратных инструментов для применения робот-ассистированных комплексов на этапах предоперационного планирования, интраоперационной подготовки, а также выполнения операции методами локальной деструкции. Имплементированы и протестированы аппаратные компоненты и программные модули, которые входят в прототип робот-ассистированного комплекса состав. Уделено внимание разработке программно-алгоритмического обеспечения, включая предварительную симуляцию, автоматизированное планирование оптимальных положений инструментов локальной деструкции и решение обратной задачи кинематики.

Таким образом, разработка и реализация прототипа робот-ассистированного комплекса предоставляет потенциал для развития и применения этой технологии в практике робот-ассистированной минимально инвазивной абдоминальной хирургии.

Исследование выполнено при поддержке Министерства здравоохранения Российской Федерации в рамках государственного контракта №124031100097-0 от 11 марта 2024 г.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Климов Д.Д., Подураев Ю.В., Панченков Д.Н.

Сбор и обработка материала — Коновалов М.Э., Прохоренко Л.С., Лискевич Р.В., Мищенков Д.С., Тупикин К.А.

Статистическая обработка данных — Прохоренко Л.С., Мищенков Д.С., Климов Д.Д.

Написание текста — Климов Д.Д.

Редактирование — Прохоренко Л.С.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Klimov D.D., Poduraev Yu.V., Panchenkov D.N.

Data collection and processing —Konovalov M.E., Prokhorenko L.S., Liskevich R.V., Mishchenkov D.S., Tupikin K.A.

Statistical processing of the data —Prokhorenko L.S., Mishchenkov D.S., Klimov D.D.

Text writing — Klimov D.D.

Editing — Prokhorenko L.S.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.